Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Ерофеев Александр Анатольевич
андшафтно-экологический анализ бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования
(на примере малых рек томска и его окрестностей)
25.00.23 - физическая география и биогеография,
география почв и геохимия ландшафтов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата географических наук
Томск - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский государственный университет, на кафедре географии.
Научный руководитель: Хромых Валерий Спиридонович
кандидат географических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Бураков Дмитрий Анатольевич доктор географических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный аграрный университет, кафедра природообустройства, заведующий
Семёнов Юрий Михайлович доктор географических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии им. В.Б. Сочавы, лаборатория комплексной физической географии и ландшафтного картографирования, заведующий
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования лМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Защита состоится 26 декабря 2012 года в 16.30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.15, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский государственный университет по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (Главный корпус, ауд. 119).
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Национального исследовательского Томского государственного университета.
Автореферат разослан 26 ноября 2012 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Хромых Валерий Спиридонович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность: В условиях развития глобальных экологических проблем, вызванных ростом городов, сокращением естественных ландшафтов, загрязнением поверхностных и подземных вод, остро встаёт проблема определения научно-обоснованных приоритетов и направлений природопользования в пределах речных бассейнов, выполняющих роль экологических коридоров и поддерживающих целостность биосферы на локальном и региональном уровнях.
Успешное решение многих задач физической географии требует разработки новых методических средств исследования условий дифференциации и функционирования геосистем, одним из факторов которых является водный сток.
Интегрирующие структурообразующие свойства водных потоков с разных сторон исследовались географами в рамках географо-гидрологического и бассейнового подходов. Каскадные ландшафтно-геохимические системы (Глазовская М.А., 1964), ландшафтно-гидрологические системы (Антипов А.Н., 2003), парадинамические системы (Мильков Ф.Н., 1986), геоциркуляционные (потоковые) ландшафтные структуры (Солнцев В.Н. и др., 2006), водосборные геосистемы (Сысуев В.В., 2003) и собственно геосистемы (Сочава В.Б., 1978; Ретеюм А.Ю., 1977) рассматриваются как взаимообусловленные системы природных компонентов и геосистем меньшей размерности, объединенные в единое целое как совместным развитием в одних орографических условиях, так и потоками вещества и энергии. Во всех работах априори принимается связь структуры и гидрологического функционирования ландшафтов.
Достижения геоморфометрии как науки о количественном описании рельефа (Shary P.A., 1995; Шарый П.А., 2006; Pike R.J. и др., 2008) позволяют применить многие классические подходы ландшафтоведения и увязать их с высокопроизводительными моделирующими возможностями геоинформационных систем с целью получения географических прогнозов и выработки экологически ориентированных планировочных подходов к развитию территории речных бассейнов на основе изучения процессов функционирования геосистем.
Всё это может служить теоретико-методологической основой ландшафтного планирования (ЛП) и проводимого на его основе функционального зонирования территории, для которых в настоящее время требуется активное внедрение методик количественного ландшафтно-экологического анализа.
Цель работы: разработка методологии ландшафтно-экологического анализа на основе геоинформационного моделирования (ГМ) для решения задач отраслевого ЛП бассейнов малых рек с различным уровнем хозяйственной освоенности.
Для реализации намеченной цели решались следующие задачи:
- Провести обзор современных методов геосистемного анализа бассейнов малых рек;
- Подготовить информационную основу исследования: выявить основные особенности геосистемной дифференциации территории, создать детальные цифровые модели рельефа (ЦМР) бассейнов рек Ушайки и Самуськи, составить крупномасштабные ландшафтные карты названных территорий, разработать комплексную базу геоданных изучаемых бассейнов;
- Рассчитать, апробировать в полевых условиях и провести анализ распределения ключевых морфометрических параметров геосистемной дифференциации бассейнов малых рек;
- Разработать методику фациальной дифференциации территорий бассейнов малых рек на основе ГМ;
- Разработать методику адаптации вычислений прогнозов времени добегания поверхностных стоков с использованием пространственно-распределённой информации в программном комплексе SAGA к решению задач водоохранного зонирования бассейнов малых рек;
- Разработать методику функционального зонирования территорий бассейнов малых рек на основе ГМ геосистем;
- Составить рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи.
Объект исследования: геосистемы западной части бассейнов р. Ушайки (протяжённостью 8 км от устья) и р. Самуськи (15 км от устья).
Предмет исследования: геоинформационное моделирование бассейновых геосистем как инструмент отраслевого ЛП территории.
Материалы и методика исследования:
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на трудах отечественных и зарубежных учёных в области ландшафтоведения (Солнцев Н.А., Исаченко А.Г., Дьяконов К.Н., Мамай И.И., Беручашвили Н.Л., Сочава В.Б., Сысуев В.В., Хромых В.С. и др.), ландшафтно-гидрологического (Субботин А.И., Антипов А.Н., Ткачёв Б.П.) и бассейнового подхода (основные положения содержатся в трудах Арманда А.Д., Глазовской М.А., Перельмана А.И., Милькова Ф.Н., Корытного Л.М., Симонова Ю.Г. и др.), гидрологии (Хортон Р.Е., Кучмент Л.С., Бураков Д.А.), геоморфометрии (Шарый П.А., Evans I.S. и др.), а также ландшафтного планирования (Антипов А.Н., Дроздов А.В., Колбовский Е.Ю., Семёнов Ю.М., Хорошев А.В.).
Информационную базу исследования составили крупномасштабные картографические источники, включая топокарты масштабов 1: 10а000, 1: 25а000, послужившие основой для создания детальных ЦМР с разрешением 5-10 м. Кроме того, в работе использовались современные космические снимки (КС) высокого и сверхвысокого разрешения, материалы полевых исследований, разнообразная фондовая информация.
Базовые операции пространственного анализа: векторизация картографических материалов, создание и эксплуатация баз геоданных, классификация ЦМР и т.д., осуществлялись в полнофункциональном ГИС-пакете ArcGIS 10; привязка и обработка КС - в программном комплексе Erdas Imagine 8.7.; морфометрический анализ и вычисление гидрологических характеристик - в программном комплексе SAGA 2.0.6.
При решении поставленных задач использовались как традиционные, так и современные методы, применяемые в комплексных ландшафтно-географических исследованиях. К ним относятся ландшафтный анализ и синтез, морфометрический, геоинформационного картографирования и моделирования, сравнительно-географический, ключевых участков и дистанционные методы.
Защищаемые положения:
1. Сочетание достижений географо-гидрологического, бассейнового подходов и геоморфометрии на основе моделирующих возможностей геоинформационных систем является эффективным способом ЛП бассейнов малых рек.
2. Применение ГМ позволяет более объективно подойти к процессу ландшафтного картографирования (ЛК) и последующего решения отраслевых задач функционального зонирования территории бассейнов малых рек.
3. Разработанная методология ландшафтно-экологического анализа бассейнов рек Ушайки и Самуськи позволяет усовершенствовать существующие подходы к водоохранному зонированию бассейнов малых рек.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- обосновано, что синтез географо-гидрологического, бассейнового подходов и геоморфометрии на основе геоинформационных технологий в более полной мере позволяет учесть функциональные основы ЛП;
- проведено апробирование методики ГМ геосистем в пределах бассейнов малых рек Нижнетомской природной провинции;
- усовершенствована методика ЛК бассейновых геосистем с применением инструментов ГМ, разработан ряд сопутствующих авторских методик.
- на основе разработанной методики ГМ проведён морфометрический анализ геосистем бассейнов рек Ушайки и Самуськи;
- предложена методика функционального зонирования бассейнов малых рек с применением ГМ. На её основе разработан рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи.
Практическая значимость:
Результаты работы могут быть использованы в качестве научно-методических основ, уточняющих схемы территориального устройства, Генеральные планы и другие руководящие документы планирования и развития территории; могут стать научно-методическим обоснованием действий экстренных служб по прогнозированию, ликвидации чрезвычайных ситуаций и расчётов ущербов, связанных с загрязнением территорий речных бассейнов.
Результаты диссертационной работы были использованы при реализации проектов РФФИ Ландшафтно-экологический анализ водосборов малых рек методами геоинформационного моделирования и полевого геофизического мониторинга № 10-05-90752 и № 11-05-90754 в 2010 и 2011 гг., а также Оценка экологических рисков при освоении инвестиционно-привлекательных территорий в 2010-2012 гг. (Госконтракт № П742 от 20 мая 2010 г.) при поддержке ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России.
Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции Современные проблемы географии и пути их решения (г. Томск, 2012 г.), на V-й Международной конференции Реки Сибири (г. Томск, 2010 г.), Международной школе-конференции Современные проблемы географии и гидрологии суши (Московская область, Красновидово, 2010), Всероссийской научно-прикладной конференции Теоретические и прикладные вопросы современной географии (г. Томск, 2009 г.).
Публикации: По результатам исследований опубликованы 9 научных работ, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура работы: Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения объёмом 175 страниц, включая 63 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 244 наименований (58 на иностранном языке) и 4 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, к.г.н., доценту В.С. Хромых за ценные советы и полезные замечания при подготовке диссертации и к.г.н., доценту В.В. Хромых, определившему направление научных исследований, оказавшему помощь и поддержку на всех этапах работы; д.г.н. Н.С. Евсеевой и всем сотрудникам кафедры географии за поддержку; д.г.н. В.В. Сысуеву за помощь при изучении основ теории геосистем; своему отцу Анатолию Геннадьевичу и матери Надежде Ивановне Ерофеевым.
Содержание работы
Введение содержит обоснование актуальности ландшафтно-экологического анализа бассейнов малых рек на основе инструментов ГМ по отношению к решению задач отраслевого функционального зонирования территории, постановку цели и задач, научную новизну и практическую значимость полученных результатов, а также сведения об апробации и внедрении результатов работы.
В первой главе рассмотрены история возникновения, современное состояние, перспективы развития и роль отдельных учёных в становлении исследуемых в диссертации научных направлений и подходов, выступающих теоретико-методологической и прикладной основой ландшафтно-экологического анализа и способствующих решению задач отраслевого функционального зонирования территорий бассейнов малых рек.
Речные бассейны представляют собой территории с интегрирующими свойствами водных потоков, что накладывает специфику на механизмы динамики и функционирования геосистем, определяя их в особый вид - бассейновых. При этом именно системная парадигма, при которой один из природных компонентов как системообразующий элемент увязывается со всей совокупностью влияющих на него факторов, позволяет по-новому подойти к решению задач в рамках ландшафтно-гидрологического и бассейнового подходов. Синтез таких подходов с геоморфометрией, позволяет обеспечить объективную количественную базу о состоянии рельефа территории для использования её результатов при решении полисистемных задач иерархической организации территории и проведения планировочных мероприятий.
Гидрологическое функционирование геосистем бассейнов малых рек - сложный с точки зрения количественного учёта и математического моделирования процесс. Интенсивность процессов увлажнения территории, просачивания осадков, сбегания их по поверхности зависит от сочетания физико-географических факторов, сложившихся на данной территории в конкретный момент времени. Многообразие природных факторов дополняется и антропогенным изменением территории в результате хозяйственной деятельности, что делает решение данной задачи ещё более многовариантной.
В качестве теоретико-методологической основы при анализе территорий речных бассейнов выступили ландшафтно-гидрологический и бассейновый подходы, с различных сторон исследующие водные потоки и их интегрирующие свойства. При этом справедливо отметить и ряд недостатков упомянутых подходов. Так, на данный момент существенными недостатками наблюдений на элементарных водосборах с их использованием считается несовпадение поверхностных и подземных границ водосборов и, в связи с этим, преуменьшение или даже прекращение меженного (подземного) стока.
Применение в качестве инструментария ГМ современных ГИС-технологий и достижений геоморфометрии позволяет производить вычисления большого объёма пространственной и атрибутивной информации, а ЛП даёт возможность объединить используемые в работе научные основы для решения взаимообусловленных задач функционального зонирования территории. При этом перспективы последнего напрямую связаны с применением строгих количественных методов, основанных на теории геосистем (Сысуев В.В., 2012) и позволяющих эффективно определять расположение функциональных зон с учётом сложившихся ландшафтно-экологических особенностей территории, временной (прогнозной) составляющей, а также возможностью последующей минимизации негативного влияния загрязнённых поверхностных стоков.
Вторая глава посвящена характеристике природы и ландшафтов изучаемой территории и состоит из двух основных разделов. В первом разделе даётся географическое положение бассейнов рек Ушайки и Самуськи, расположенных на правобережье р. Томь выше впадения ее в р. Обь в Притомском природном районе Нижнетомской природной провинции. Территория исследования представляет собой повышенную холмисто-увалистую озёрно-аллювиальную равнину с абсолютными высотами от 100 до 250 м, расчленённую оврагами, балками. Река Ушайка впадает в р. Томь в 68 км от устья. Длина реки составляет 78 км, а площадь водосборного бассейна 744 км2. Река Самуська впадает в р. Томь в 30 км от устья. Длина реки составляет 72 км, а площадь водосбора 505 км2 (Ресурсы поверхностныхЕ, 1972). Детально описаны основные компоненты геосистем изучаемой территории: геологическое строение и история развития, рельеф и рельефообразующие процессы, климат, поверхностные и подземные воды, почвы, а также растительный покров. Второй раздел главы посвящён ландшафтной структуре, где приводится подробная характеристика основных ландшафтных единиц ранга местностей и урочищ, степень их антропогенной модификации, основные закономерности функционирования и динамики.
В третьей главе поэтапно описывается методика ГМ, являющаяся центральным элементом диссертационного исследования и раскрывающая суть второго и третьего защищаемого положения.
Первый раздел главы Методика геоинформационного моделирования бассейновых геосистем является наиболее разработанной частью диссертационного исследования и состоит из последовательного и систематического изложения её основных элементов: источников ГМ, параметров моделей и их классификации, апробации методики в полевых условиях, вычисления ключевого для водоохранного зонирования показателя времени добегания поверхностных стоков, методики ЛК с применением ГМ, углубленного морфометрического анализа, включающего в себя методику определения структуры бассейновых геосистем, а также методику функционального зонирования территории на основе ГМ.
Второй раздел главы посвящён составлению рамочного ландшафтного плана водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи как примера использования разработанных методик ГМ геосистем для решения актуальных задач природопользования.
Среди источников для ГМ использовалась разнообразная цифровая картографическая продукция, материалы полевой ландшафтной съёмки, КС и аэрофотоснимки, фондовые и другие источники. Вместе с постоянно совершенствующимися высокопроизводительными возможностями ГИС данные источники позволили получить содержательную информацию о структуре и дифференциации геосистем разных иерархических уровней.
В ходе моделирования гидрологических процессов были задействованы свыше 20 как общих, так и пространственно-распределённых параметров, основное функциональное назначение которых заключалось в определении процессов латерального переноса веществ по поверхности водосборных геосистем. При этом методики с предложенной параметризацией способны давать наибольшую точность прогнозов гидрологического функционирования геосистем в период времени года, при котором вода находится преимущественно в жидком агрегатном состоянии.
Апробирование параметризации и методики ГМ происходило автором в составе научно-исследовательской группы в бассейне р. Лонинки, расположенной в Национальном парке Валдайский в полевые сезоны 2010-2011 гг.
В результате проведённых исследований была доказана реальная возможность зонирования гидрологического функционирования геосистем на основе единого подхода к моделированию структуры геосистем по априорным данным. Так, численный анализ показал, что даже не адаптированные для таёжной заболоченной территории значения параметров влияния на сток растительного покрова (ManningТs number), почвы и почвообразующей породы (Curve number), задаваемая модель строения русла (Channel Site Slope), средняя интенсивность дождевых осадков (Average Rainfall Intensity), величины склонового (Channel Definition Threshold) и смешанного стока (Mixed flow Threshold) и другие параметры позволяют выявить существенные особенности в распределении скоростей стока поверхностных вод в различных геосистемах.
Во всех случаях предсказанные скорости отличаются от измеренных, однако рассчитанные показатели не столь далеки от реальных, как ожидалось. Наиболее близкие результаты получены при интенсивности осадков порядка 10 мм/с, хотя более реальны осадки существенно меньшей интенсивности.
Для получения более точных результатов моделирования необходимо провести корректировку значения модельных коэффициентов ManningТs n и Curve Number. Кроме того, узкое русло таежной речки грубо описывается ЦМР с разрешением 10х10 м. Такое разрешение не позволяет отображать также и микрорельеф поверхности, очень важный для стока с плоских равнин.
В дальнейшем необходим более тщательный подбор параметров моделирования (аппроксимация), а также расчёт по более детальной ЦМР. С другой стороны, возможны ошибки при измерении скоростей и расходов поплавковым методом в условиях извилистых русел. Тем не менее, при недостатке или полном отсутствия информации значения, полученные при моделировании в ГИС, могут служить основой для расчёта прогнозных величин стока на участках, доступ к которым, как, например, в нашем случае, из-за сильной заболоченности был крайне затруднён.
Основой для ГМ являлись материалы крупномасштабного ЛК; для его проведения в работе предложена методика, основу которой составляет ландшафтно-экологический анализ распределения показателей ключевых составных морфометрических величин (МВ); их внедрение позволило сделать более объективным процесс проведения границ геосистем (рис. 1).
Так, для автоматизированного выделения и уточнения границ территорий, соответствующих поймам рек, использовался Multi-Resolution Valley Bottom Flatness (MRVBF), для определения потенциала геосистем к склоновой эрозии Morphometric protection index, LS-factor, а для определения показателей потенциального увлажнения геосистем Wetness Index.
В самом процессе крупномасштабного ЛК бассейновых геосистем выделялись геоинформационный и полевой блоки.
Для решения отраслевых задач функционального зонирования бассейнов малых рек на основе ГМ необходимым критерием, отвечающим за точность результатов моделирования, является дифференциация территории на максимально однородные участки по физико-географическим условиям и некоторым прогнозным гидрологическим показателям.
Для этого на основе аналитических средств ГИС-пакетов ArcGIS и SAGA была разработана методика определения структуры геосистем и их частного районирования. Методика определения фациальной структуры состояла из следующих этапов: 1. Первичная подготовка ЦМР (preprocessing) путём заполнения псевдопонижений рельефа (sinks); 2. Расчёт индекса потенциальной влажности (ИПВ) как базового морфометрического показателя для геосистемной дифференциации; 3. Векторизация пространственных границ распределения ИПВ; 4. Совмещение (Intersection) векторных контуров сложных урочищ, полученных в результате ЛК, с векторными границами ИПВ; 5. Создание итоговой карты фациальной структуры (геоячей) путём генерализации границ, полученных при совмещении.
Рис. 1 - Логическая схема ландшафтного картографирования на основе ГМ
Известно, что ведущая роль рельефа в перераспределении тепла, влаги и формировании морфологической структуры ландшафта является одним из основных положений учения о ландшафте. Таким образом, для проведения дифференциации поверхности необходимой задачей является описание перераспределения рельефом геофизических полей гравитации, являющихся основой гидрологического функционирования природных геосистем. Для исследования вещественно-энергетических потоков в пределах речных бассейнов был проведён морфометрический анализ, включающий в себя построение ЦМР, первичную обработку, вычисление ключевых МВ и параметров, а также их численный анализ.
Так, значимость первичной обработки для проведения анализа гидрологических свойств бассейновых геосистем показана на примерах расчёта составной МВ индекса потенциальной влажности (Wetness Index) (рис. 2), определяемой по формуле:
Wt = ln (As / T tan), где As - удельная площадь водосбора (SCA) (m2m-1) (рассчитанная на единицу длины замыкающего контура); - уклон поверхности в градусах (крутизна склона); T - проницаемость почвы (Moore I.D. et al., 1991).
Апробация методики фациальной дифференциации происходила на ключевом участке, расположенном в среднем течении р. Ушайки на её правом берегу площадь которого составляет 0,98 км. В качестве базового дифференцирующего показателя использовался ИПВ, а полученные количественные показатели рассматривались в качестве единиц потенциальной влажности. Построенные таким образом пространственные ареалы (фации) использовались для последующего моделирования процессов гидрологического функционирования геосистем, а также в качестве полигонов ландшафтно-экологического мониторинга при решении задач водоохранного зонирования.
Рис. 2 - Пример расчёта ИПВ на ключевом участке бассейна р. Ушайки: А - без применения; Б - с применением первичной обработки ЦМР методом УFill Sinks (Wang&Liu)Ф
На основе априорных данных по распределению морфометрических показателей в пределах полученных элементарных геосистем и их геостатистического анализа в диссертационном исследовании предложена методика функционального зонирования территории. Такой подход даёт возможность наиболее объективного проведения границ функциональных зон с учётом сложившихся ландшафтно-экологических особенностей территории, одним из главных компонентов которых является рельеф.
Методика состояла инвентаризационного и оценочного этапов, центральным элементом которых являлся геостатистический анализ (рис. 3). На этапе первичного геостистического анализа при помощи инструмента зональной статистики вычислялись значения того или иного параметра модели в пределах конкретной геосистемы, затем полученные величины путём нормирования приводились к единому виду, после чего ранжировались при помощи классификации методом лестественных границ.
На оценочном этапе к геостатистическому анализу добавлялись обобщающие экспертные оценки и через интегральную оценку логически сочетались с экспертным (критериальным) анализом, необходимость внедрения которого связывалась с тем, что программные вычисления в чистом виде не позволяют оценить ряд важнейших при функциональном зонировании свойств геосистем (эстетическая ценность и др.).
Рис. 3 - Методика функционального зонирования территории с использованием
геостатистического анализа морфометрических параметров геосистем
Характерным примером возможности территориального планирования речных бассейнов на основе ландшафтного подхода является водоохранное зонирование (Ландшафтное планирование: инструментыЕ, 2005; Хромых В.В., 2010 и др.). В настоящее время законодательной базой при определении водоохранных зон рек является Водный кодекс РФ (Водный кодексЕ, 2006). В действительности же описанные в нём методики применимы лишь в качестве минимального допущения для ограничения хозяйственной деятельности. Так, законодательно закреплённая ширина водоохранной зоны для малой реки составляет 50 метров. К другим известным подходам решения этой проблемы на практике относятся - выделение всего водосборного бассейна, выделение буферной зоны от исторически максимального уровня воды в реке и др. Такие подходы являются более приемлемыми с экологической точки зрения, но из-за больших площадей, занимаемых зонами ограничений, на практике применяются редко. Особенно это очевидно для малых рек, расположенных в пределах территорий крупных городов, где очень высока стоимость земли. В этой связи встала задача создания альтернативного экологически ориентированного подхода с максимальным учётом особенностей распределения поверхностных стоков, как одного из важнейших системообразующих процессов функционирования бассейновых геосистем.
Разработка рамочного ландшафтного плана для целей водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи происходила путём реализации трёх основных этапов: 1. Выделение водоохранного каркаса; 2. Анализ модели распределения поверхностных стоков (на примере времени добегания); 3. Экспертный (критериальный) анализ свойств геосистем. По итогам реализации основных этапов и сопутствующих им мероприятий составлялся рамочный ландшафтный план с отраслевой водоохранной функцией, на котором указывался предпочтительный режим природопользования в пределах конкретных элементарных геосистем (фаций).
К водоохранному каркасу в первую очередь были отнесены пойменные геосистемы, выделенные в результате процедуры ЛК с использованием ГМ, геосистемы долин малых рек и ручьёв более высоких порядков, чем основное русло, а также овраги, устьевые части которых расположены в местах сочленения с поймой.
Основным этапом при составлении рамочного ландшафтного плана с отраслевой водоохранной функцией стало детальное моделирование процессов распределения поверхностных стоков с бассейновых геосистем и расчёт прогнозов времени их добегания до русла реки либо, в идеальном случае, до ближайших водопроявлений (ручьёв, озёр, болот и др.). Достижение поставленной цели стало возможно благодаря использованию методики расчёта прогнозов времени добегания на основе модифицированного уравнения Маннинга при помощи программных возможностей модуля Isochrones Variable Speed ГИС-пакета SAGA и её последующей адаптации к решению задач водоохранного зонирования малых рек. В основе вычислений лежали апробированные в полевых условиях параметры: приближенная к реальным условиям средняя интенсивность дождевых осадков - 0,66 мм/час, средний уклон стенок русла 45 (CSS 1), пороговые величины смешанного и канального стоков 18 (MFT) и 360 (CDT). Расчёт параметра площадь сбора (СА) происходил на основе кинематического алгоритма направления Kinematic Routing Algorithm по предварительно обработанной модели (preprocessing) с включением точных координат устьев ручьёв, измеренных при помощи GPS-навигатора.
При помощи экспертного (критериального) анализа свойств геосистем оценивалась эстетическая ценность и уязвимость геосистем к склоновой эрозии.
Для оценки уязвимости геосистем, связанной со склоновой эрозией, в диссертационном исследовании использовался составной индекс LS-factor, рассчитывающий эрозионный потенциал рельефа геосистем. Для определения LS используется уравнение из усовершенствованного универсального уравнения потерь почвы (USLE):
LS = (m+1) [As / a0 ]m [sin / b0 ]n, где As - удельная площадь сбора, - крутизна склона, m = 0,4 и n = 1,3 - стандартные параметры, a0 = 22,1 м - длина и b0 = 0,0896 = sin (5,16) - наклон поверхности стандартных участков, на которых определялись параметры модели (Moore I. D., Wilson J. P., 1992).
В соответствии с методикой ЛП в результате ландшафтно-экологического анализа состояния бассейновых геосистем рек Ушайки и Самуськи были определены 3 основных вида функциональных зон: сохранения, реабилитации и развития. В качестве примера представлен рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейна р. Ушайки (рис. 4).
Заключение. В настоящее время методология ландшафтно-экологического анализа территории не в полной мере учитывает достижения функционального направления. Внедрение в процесс ландшафтного анализа геоморфометрии позволит получить объективную количественную базу о распределении рельефом геофизических полей гравитации, как одного из важнейших и системообразующих процессов функционирования геосистем.
Рис. 4 - Рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования изучаемой
территории бассейна р. Ушайки
Для успешного применения геоморфометрии при решении задач ландшафтного планирования необходимым условием является пространственный анализ морфометрических величин, раскрывающий их физический смысл. Для увеличения качества ландшафтно-планировочных мероприятий территория речных бассейнов р. Ушайки и Самуськи была разделена с учётом особенностей увлажнения поверхности на элементарные геосистемы (фации). Проведённое в фациях геоинформационное моделирование скоростей стока и времени добегания на основе априорных данных позволило выявить основные тенденции в распределения показателей, а на основе верификации модельных показателей с полевыми измерениями установлено, что существенное значение на скорость стока в элементарных геосистемах оказывает потенциальная способность рельефа аккумулировать поверхностные воды, выводимая через параметр площадь сбора. Для получения результатов моделирования поверхностных стоков (времени добегания, скорости стока и др.), приближенных к реальным показателям, необходим более тщательный подбор параметров (аппроксимация), расчёт по более детальным ЦМР, а также проведение дополнительных расчётов на участках элементарных бассейнов с наличием постоянных водотоков. В условиях недостатка или полного отсутствия информации значения, полученные при моделировании в ГИС, могут служить основой для расчёта прогнозных величин стока на труднодоступных территориях.
Экологическое состояние изучаемых бассейнов весьма различно. Экологические проблемы в бассейне р. Ушайки наглядно демонстрируют результаты отсутствия за долгое время научно-обоснованных подходов к градостроительному планированию территорий речных бассейнов. Малоосвоенная территория бассейна р. Самуськи обладает большим потенциалом как для городского и промышленного строительства, так и для расположения мест рекреации. Однако природопользование в пределах бассейна необходимо осуществлять с учётом предложенных в работе интегрированных подходов. В таком случае появляется возможность минимизации негативного влияния хозяйственной деятельности на окружающую среду и при этом сохранения потенциала её динамичного развития для будущих поколений.
Территориям, попавшим в зоны сохранения, целесообразно придавать статус особо-охраняемых природных территорий (ООПТ) местного значения. Такого рода внимание приведёт к усилению ёмкости и устойчивости геосистем данных зон. Для территорий, попавших в водоохранный каркас, следует вводить запрет на прямой вброс загрязнённых вод, а следовательно, необходимо развивать системы канализации и очистки стоков, а также вводить водосберегающие технологии.
В связи с намечающимся прогрессом геоморфометрии, предпосылки которого связаны с совершенствованием технологий получения дистанционной информации для построения детальных ЦМР (аэро, космической, наземной), интенсивным развитием программных средств её обработки, ожидается переход на более высокий уровень в скорости и точности проведения ландшафтно-экологического анализа речных бассейнов и выработки научно-обоснованных критериев планирования территории.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
В изданиях рекомендованных ВАК:
- Ерофеев А.А.аОпределение структуры бассейновых геосистем на основе геоинформационного моделирования (на примере бассейнов малых рек Томска и его окрестностей) // Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 363. С. 192Ц195.
В других изданиях:
- Ерофеев А.А. Опыт сотрудничества географов Томского государственного университета и МГУ имени М.В. Ломоносова в области исследования речных бассейнов методами геоинформационного моделирования и геофизического мониторинга // Вестник РФФИ № 1(73) январь-март 2012. С. 153 - 157.
- Ерофеев А.А. О разработке методики микробассейновой дифференциации геосистем на основе ЦМР (на примере бассейнов рек Ушайки и Самуськи) // Труды Томского государственного университета. - Т. 280. - Сер. геолого-географическая: Современные проблемы географии и геологии: Матер. Всеросс. молодёжной конференции с межд. участием. - Томск: Изд-во Томск. ун-та, 2011. С. 47-49.
- Ерофеев А.А. Новые подходы к выделению водоохранных зон малых рек в пределах городских территорий (на примере реки Ушайки) // Реки Сибири: Материалы V Международной конференции (г. Томск, 16-18 апреля 2010 г.). - Томск: Дельтаплан, 2010. С. 40-42.
- Ерофеев А.А. Информационное обеспечение ГИС долин малых рек урбанизированных территорий при обосновании границ водоохранных зон // Геоинформационное картографирование в географии и геоэкологии: сборник статей / Воронежский государственный университет. - Воронеж: Изд-во Истоки, 2010. С. 63-66.
- Сысуев В.В., Садков С.А. Ерофеев А.А. Бассейновый принцип функционального зонирования: моделирование структуры и стока водосборных геосистем по априорным данным \\ Актуальные проблемы ландшафтного планирования: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. М.: Изд-во МГУ, 2011. С. 101-105.
- Хромых В.В., Ерофеев А.А. Ландшафтный подход к выделению водоохраной зоны реки Ушайки на основе геоинформационного картографирования // Актуальные проблемы ландшафтного планирования: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. М.: Изд-во МГУ, 2011. С. 230 - 235.
- Хромых В.В., Хромых О.В., Ерофеев А.А. Использование пространственного анализа ва ArcGIS для выделения водоохранных зон малых рек в городах // ArcReview. - № 4 (51). 2009. С. 14 -15.
- Sysuev V.V., Sadkov S.A., Erofeev A.A. Modelling of the boggy taiga watersheds hydrological regime under the aprioristic data \\ Book of Abstracts: УJoint Meeting of Society of Wetland Scientists, WETPOL, and Wetland Biogeochemistry SymposiumФ. CzechRepublic, Prague 3-8 July 2011. P. 485.
Приложение
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДеНИЕ
1 Современное состояние и основные подходы к ландшафтно-экологическому анализу речных бассейнов
1.1 Ландшафтно-гидрологический подход
1.2 Бассейновый подход
1.2.1 Обзор взглядов на бассейновый подход
1.2.2 Роль бассейна малой реки в ландшафтной организации территории
1.3 Геоморфометрия в ландшафтно-экологических исследованиях
1.3.1 Понятие и объект изучения геоморфометрии. Перспективы количественного описания рельефа при изучении геосистем
1.3.2 Основные этапы развития теории геоморфометрии и её применения в ландшафтно-экологических исследованиях
1.3.3 Система морфометрических величин и их геофизический смысл. Водосборные морфометрические величины
1.4 Ландшафтное планирование
2 природа и ландшафты бассейнов Ушайки и самуськи
2.1 Физико-географическая характеристика территории
2.1.1 Геологическое строение и история развития территории
2.1.2 Рельеф и рельефообразующие процессы
2.1.3 Климат
2.1.4 Поверхностные и подземные воды
2.1.5 Почвы
2.1.6. Растительный покров
2.2 Ландшафтная структура
3 геоинформационное моделирование бассейновых геосистем
3.1 Методика геоинформационного моделирования бассейновых геосистем
3.1.1 Геоинформационное моделирование геосистем как особый вид пространственного анализа в физической географии
3.1.2 Исходные данные и источники для геоинформационного моделирования и создания ГИС
3.1.3 Параметры геоинформационного моделирования гидрологического функционирования бассейновых геосистем и их классификация
3.1.4 Апробация параметров и методики геоинформационного моделирования в условиях реальных геосистем
3.1.5 Методика расчёта прогнозов времени добегания поверхностных стоков
3.1.6 Крупномасштабное картографирование бассейновых геосистем
3.1.7 Морфометрический анализ бассейновых геосистем
3.1.7.1 Использование цифровых моделей рельефа в ландшафтно-экологических исследованиях
3.1.7.2 Построение и первичная обработка цифровых моделей рельефа
3.1.7.3 Методика определения структуры бассейновых геосистем на основе типологической карты урочищ и геоинформационного моделирования
3.1.8 Методика функционального зонирования территории на основе геоинформационного моделирования
3.2 Рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Легенда к ландшафтной карте бассейна р. Ушайки
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Легенда к ландшафтной карте бассейна р. Самуськи
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Сводные таблицы параметров шероховатости поверхности
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Таблица параметров влияния основных видов почв и почвообразующих пород на скорость поверхностного стока
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле